黏土磚再生粗骨料混凝土短肢抗震墻的試驗研究

程遠兵, 郭子龍

(1.華北水利水電大學 土木與交通學院,河南 鄭州 450045; 2.中天建設集團有限公司,浙江 杭州 310020)

黏土磚再生粗骨料混凝土短肢抗震墻的試驗研究

程遠兵1, 郭子龍2

(1.華北水利水電大學 土木與交通學院,河南 鄭州 450045; 2.中天建設集團有限公司,浙江 杭州 310020)

為了研究黏土磚再生粗骨料混凝土短肢抗震墻的受力和變形性能,設計了2個黏土磚再生粗骨料混凝土短肢墻試件和1個普通鋼筋混凝土短肢墻對比試件,試件的尺寸、配筋和軸壓比等參數均相同。采用低周反復的加載方式,測試了各試件的受力與變形性能,并對試件的承載力、剛度、延性、耗能能力和破壞形態(tài)進行了對比分析。研究結果表明:在相同的配筋和軸壓比下,黏土磚再生粗骨料混凝土短肢抗震墻試件比普通混凝土短肢抗震墻試件的承載力有所降低,延性和耗能能力也有所降低,但降低幅度較小；黏土磚再生粗骨料混凝土短肢抗震墻的承載力和變形性能均能滿足結構的抗震要求。

黏土磚再生粗骨料;混凝土;短肢抗震墻;承載力;變形;抗震

城鄉(xiāng)建設的不斷發(fā)展使得大量的舊有建筑物被拆除,產生了大量的建筑垃圾。其中，廢棄的黏土磚在建筑垃圾總量中占很大的比重,其資源化利用的途徑之一是再生為粗骨料,用于配制黏土磚再生粗骨料混凝土。因此,探索黏土磚再生粗骨料混凝土構件的受力和變形性能,為黏土磚再生粗骨料混凝土的結構應用奠定基礎,具有重要的現實意義。

到目前為止,國內外已開展了許多對黏土磚再生粗骨料鋼筋混凝土梁的研究，但對黏土磚再生粗骨料鋼筋混凝土抗震墻的研究還很少。已有的黏土磚再生粗骨料鋼筋混凝土組合墻、柱的試驗研究[1-4]表明:廢磚再生混凝土組合墻體在受力過程中截面變化基本符合平截面假定,在軸向壓力作用下,墻體破壞表現為明顯的脆性破壞。相對于普通混凝土柱,再生混凝土柱的抗震能力呈下降趨勢。

本文主要研究黏土磚再生粗骨料混凝土短肢抗震墻的受力和變形性能。

1 試件及試驗設計

1.1 試件

試驗共設計了3個矩形截面的短肢抗震墻試件,試件的尺寸取為實際構件尺寸的1/2,試件分別為普通混凝土短肢墻(SW)、再生磚粗骨料替代率為35%的混凝土短肢墻(RCSW)?？紤]到采用黏土磚再生粗骨料替代普通骨料后混凝土強度的降低情況[5-9],同時考慮到要有一定的黏土磚骨料摻加量,經過試驗,確定黏土磚再生粗骨料混凝土試件中再生骨料的質量替代率為35%,即將普通混凝土中的石子骨料質量的35%用磚骨料替代。制作黏土磚再生粗骨料的廢棄黏土磚取自鄭州市金水區(qū)沙門村房屋拆遷現場。廢棄黏土磚經顎式破碎機破碎、人工篩分制成再生粗骨料。黏土磚再生粗骨料的粒徑范圍為5～20 mm，堆積密度為1 560 kg/m3,24 h 的吸水率為18.4%。由于黏土磚骨料的孔隙率高、吸水率大,若按普通混凝土的配合比進行設計,則流動性差;若增加用水量,又會導致混凝土強度降低和干縮性增大。因此,根據文獻[10]確定了再生磚骨料混凝土的配合比。普通混凝土和再生混凝土的水灰比均為0.4,砂率為30%。普通混凝土的設計強度為C40,配合比(水泥∶水∶砂∶石)為14.08∶5.63∶12.10∶28.25,摻加黏土磚再生粗骨料混凝土的配合比(水泥∶水∶砂∶石∶粗磚骨料)為14.08∶7.40∶12.10∶18.36∶9.89。試件的尺寸和配筋情況如圖1所示。

圖1 短肢抗震墻試件的尺寸和配筋圖

1.2 材料性能

實測的混凝土材料的力學性能指標見表1。鋼筋均采用三級鋼,鋼筋的實測力學性能指標見表2。

表1 實測的混凝土材料的力學性能指標

表2 實測的鋼筋材料的力學性能指標

1.3 加載方案

試驗采用低周反復的加載方式。采用MTS工業(yè)系統(中國)有限公司的MTS三維擬動力液壓伺服作動器配合反力架進行豎向和水平反復加載。加載裝置如圖2所示。

圖2 加載裝置圖

試驗采用2階段控制加載的方式,第一階段由荷載和位移聯合控制,第二階段由位移控制。豎向加載時的軸壓比為0.3,試驗前,一次性施加到257.4 kN,試驗過程中保持不變,加載點位于墻頂端表面的中心。

水平加載:加載點位于墻頂梁端表面的中心。

加載控制:試件鋼筋屈服前,以20 kN為增量,每級循環(huán)一次。

位移控制:試件屈服后,按屈服時的水平位移控制,每一位移級循環(huán)兩次,直至受壓縱筋屈服、水平荷載驟然下降到極限荷載的85%以下為止。

1.4 測試參數及測試方法

試驗測試的主要參數有:抗震墻頂端的水平力及位移值、頂部施加的豎向荷載值、豎向和水平向鋼筋的應變。在整個試驗過程中,實時觀測抗震墻裂縫的出現和發(fā)展情況,并用鉛筆描畫出裂縫的分布。

在剪力墻試件外共布置6個位移傳感器,用于測量剪力墻頂點位移、墻半高處的水平位移和墻腳處可能產生的微小位移和轉角等。鋼筋應變測點布置在暗柱縱筋、剪力墻水平分布鋼筋和豎向分布鋼筋上。圖3是試驗墻位移計和鋼筋應變測點的布置圖。裂縫觀測采用放大鏡和裂縫寬度儀。

圖3 測點布置圖

2 試驗結果分析

2.1 承載力

抗震墻試件的開裂荷載、屈服荷載和破壞荷載的實測值見表3。從表3可以看出:再生磚骨料混凝土抗震墻RCSW與普通混凝土抗震墻SW相比,由于磚骨料的抗拉強度較低,再生磚骨料混凝土抗震墻開裂要早于普通混凝土,開裂荷載下降了13.27%,屈服荷載和破壞荷載分別下降了4.67%和9.22%。這說明再生磚骨料混凝土抗震墻的承載力比普通混凝土抗震墻有所降低,但降幅均在10%以內。黏土磚再生粗骨料混凝土墻的屈強比有所增大,說明其脆性比普通混凝土墻要大。

表3 試件的開裂荷載、屈服荷載和破壞荷載 kN

2.2 延性性能

各抗震墻墻頂位移和延性系數的實測值及其比值見表4和表5。由表4和表5可知，再生磚骨料混凝土抗震墻RCSW與普通混凝土抗震墻SW相比,開裂位移增大了40.42%,屈服位移增大了4.10%,極限位移減小了9.15%,彈塑性位移角降低了9.28%,延性系數減小了12.24%。說明再生磚骨料混凝土抗震墻的延性有所降低,但延性系數下降在15%內,能夠滿足結構抗震的要求。

表4 試件位移實測值 mm

表5 試件延性系數實測值

2.3 滯回曲線

圖4為試件在低周反復荷載作用下的水平荷載(P)-頂點水平位移(U)滯回曲線。從圖4可以看出,抗震墻在開裂前基本處于彈性工作階段,試件的加載曲線與卸載曲線在試件開裂之前基本重合為一條直線。在試件開裂之后到屈服之前,滯回環(huán)呈狹窄細長型,包絡面積小,耗能也小。在試件屈服后,滯回曲線開始逐漸向坐標橫軸傾斜,包絡面積逐漸增大。說明再生磚骨料混凝土抗震墻和普通混凝土抗震墻耗能能力基本一致,普通混凝土中抗震墻滯回環(huán)包含面積稍大,耗能能力略強。

圖4 抗震墻試件的P-U滯回曲線

2.4 裂縫和破壞形態(tài)

試驗墻的裂縫分布如圖5所示。

圖5 試驗墻的裂縫分布

由圖5可知：

1)在混凝土開裂前,抗震墻基本處于彈性工作階段。當水平力增大時,墻體受拉區(qū)中部出現一條細微的水平裂縫,反向加載時墻體另一側受拉區(qū)邊緣也出現一條細微的水平裂縫。當水平力進一步增大時,墻體裂縫增加很多,同時原有的裂縫變寬變長,墻體根部截面開始出現水平裂縫,墻體受拉區(qū)中部出現多條較長的斜裂縫;反向加載時,另一側墻體受拉區(qū)也出現多條水平裂縫,部分原有裂縫向墻體中部延伸。

2)當水平力接近屈服荷載時,墻體受拉區(qū)出現多條水平裂縫和斜裂縫,裂縫逐漸向下延伸,縱向受力鋼筋開始屈服。隨后，荷載-位移曲線逐漸偏離直線,表明構件開始屈服。進一步增加荷載,墻體受拉區(qū)原有裂縫緩慢變長、增多,裂縫寬度變大。當墻體受壓區(qū)縱筋屈服后,試件發(fā)生破壞。

3 結語

通過黏土磚再生粗骨料混凝土短肢抗震墻和普通混凝土短肢抗震墻在低周反復荷載作用下的受力性能試驗,研究了黏土磚再生粗骨料混凝土短肢抗震墻的破壞過程、承載能力、滯回曲線、耗能能力及延性指標等,對比分析了黏土磚再生粗骨料混凝土短肢抗震墻與普通混凝土短肢抗震墻試件受力性能的不同。研究得到以下主要結論:

1)在尺寸、配筋等相同的條件下,與普通混凝土短肢抗震墻相比,黏土磚再生粗骨料混凝土短肢抗震墻的承載力略低。

2)黏土磚再生粗骨料混凝土抗震墻的受力性能與普通混凝土抗震墻相似,經歷了彈性、開裂、屈服和破壞4個階段。墻發(fā)生彎曲破壞時,受拉區(qū)邊緣暗柱內鋼筋受拉屈服,近暗柱的受拉區(qū)的豎向分布筋亦能達到屈服,抗震墻底部受壓區(qū)混凝土被壓碎,受壓區(qū)暗柱縱筋局部被壓屈、外凸。

3)黏土磚再生粗骨料混凝土抗震墻發(fā)生彎曲破壞時的延性較好,滯回環(huán)穩(wěn)定,承載能力和剛度下降緩慢,耗能能力較好。這表明在實際工程中,通過設定合理的軸壓比限值,黏土磚再生粗骨料混凝土抗震墻可以用于建筑結構。

本文的研究為廢棄黏土磚的資源化利用提供了一種新的途徑。

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(責任編輯：陳海濤)

Experimental Study of Short-leg Shear Wall of Concrete with Recycled Brick Aggregate

CHENG Yuanbing1, GUO Zilong2

(1. School of Civil and Transportation Engineering, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China; 2. Zhongtian Group, Hangzhou 310020, China)

In order to investigate the structural performance of the recycled brick coarse aggregate concrete shear wall, two short-leg shear wall specimen of concrete with recycled clay brick aggregate and a common reinforced concrete short-leg shear wall contrast specimen were designed, and the parameters (size, reinforcement and axial compression ratio) of the specimen are the same. The stress and deformation behavior of the specimen were tested under low cyclic reversed loading. Furthermore, the bearing capacity, stiffness, ductility, energy dissipation capacity and failure pattern of the specimen were also compared and analyzed. Results show that the bearing capacity of recycled brick aggregate concrete short-leg shear wall specimen was lower than that of the common reinforced concrete short-leg shear wall specimen under the same reinforcement ratio and axial compression ratio. In addition, the ductility and energy dissipation capacity were also reduced. Therefore, short-leg shear wall of recycled concrete with brick aggregate can be used in seismic structures.

recycled brick aggregate; concrete; short-leg shear wall; bearing capacity; deformation; seismic

2016-06-12

河南省基礎與前沿技術研究計劃項目(152300410111)。

程遠兵(1965—),男,河南南陽人,教授,博士,從事混凝土結構及抗震方面的研究。E-mail:cyb-ny@163.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.01.012

TV32+1;TU372

A

1002-5634(2017)01-0060-04